無中墻連拱隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測和安全控制方法*

茶增云，范孝剛，肖振江，孟德生，和振海，孫印國，廖明進(jìn)

(1.云南勐綠高速公路投資開發(fā)有限公司，普洱 665000；2.云南交投集團(tuán)投資有限公司，昆明 650100；3.云南交發(fā)公路工程有限公司，昆明 650041；4.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071；5.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，昆明 650500；6.武漢科技大學(xué)，武漢 430081)

我國云南、四川等地區(qū)地形條件復(fù)雜，公路、鐵路建設(shè)中包含大量的橋梁和隧道工程。在隧道建設(shè)中，由于受到山地地形、施工區(qū)域地質(zhì)情況等的限制，傳統(tǒng)的分離式單洞隧道形式可能并不適用，取而代之的是小凈距連拱隧道。連拱隧道具有以下優(yōu)勢:1)避免了洞口分幅路基，減少占地；2)隧道進(jìn)出口接線要求低、工程量小且線形連接順暢；3)在傍山或埡口地形條件下，有利于隧道進(jìn)出口位置的選擇和減少隧道長度；4)避免洞口大橋特別是跨河大橋分幅；5)減少進(jìn)出口邊坡開挖工程量，有利于環(huán)境保護(hù)。國內(nèi)連拱隧道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已有近四十年的歷史，建成了大量的連拱隧道，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)[1,2]。早期連拱隧道均設(shè)置共用中墻結(jié)構(gòu)，采用中導(dǎo)洞法或三導(dǎo)洞法施工，以減小地下空間跨度，保證隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是開挖步驟復(fù)雜，效率較低。

近年來，一種新型的連拱隧道形式—無中墻連拱隧道，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這種形式無需中導(dǎo)洞先期施工，而是直接開挖先行洞，待初期支護(hù)和二次襯砌施作完成后進(jìn)行后行洞開挖，其初期支護(hù)可搭接于先行洞同側(cè)拱腰位置。這種方法左右洞幅布置更緊湊，且均可采用臺階法開挖，施工效率大幅提升[3]。已有的工程實(shí)踐證明，這種連拱隧道形式取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

當(dāng)前，爆破方法仍然是地下隧道掘進(jìn)最主要的施工方法。在這種條件下，連拱隧道后行洞爆破掘進(jìn)時(shí)，爆炸沖擊波和爆破振動(dòng)不可避免會對先行洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷甚至破壞[4,5]，其影響范圍可以達(dá)到后行洞開挖面前后單洞跨度3倍的區(qū)域[6]。實(shí)際工程中也發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生了此類災(zāi)害問題，如先行洞仰拱縱向開裂、隧道大變形、邊墻和襯砌支護(hù)開裂失穩(wěn)、塌方等，危及了隧道穩(wěn)定和人員安全。為此，學(xué)者和技術(shù)人員對連拱隧道進(jìn)行了力學(xué)和變形特性研究[7-12]，揭示了隧道中墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，認(rèn)為隧道連接部位復(fù)雜的圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)作用關(guān)系是導(dǎo)致中隔墻區(qū)域破壞嚴(yán)重的主要原因。另一方面，爆破振動(dòng)也對隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大影響，因此也特別需要加強(qiáng)中墻和連接部位支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制[12-14]。由于連拱隧道在結(jié)構(gòu)和空間布置上的特殊性，施工過程中的安全控制仍是一個(gè)難題，無中墻連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也仍需提高與完善。

針對無中墻連拱隧道的爆破施工安全，以云南在曼臘隧道工程為依托，結(jié)合連拱隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果，研究后行洞爆破時(shí)先行洞洞壁振動(dòng)速度的傳播和衰減規(guī)律。采用UEDC離散元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化，襯砌變形和圍巖損傷進(jìn)行分析，提出無中墻連拱隧道單洞法爆破施工的安全控制方法和標(biāo)準(zhǔn)。

1 爆破振動(dòng)監(jiān)測及分析

為研究后行洞爆破施工在先行洞洞壁產(chǎn)生的振動(dòng)速度傳播規(guī)律，對在建的曼臘隧道進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測。洞身段采用復(fù)合襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。單拱跨度達(dá)12.75 m，高度為9.68 m。采用單洞法爆破施工，臺階法開挖。

圖 1 無中墻連拱隧道Fig. 1 Double Arch Tunnel without Middle Wall

1.1 振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)布置

振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)不能布置在距離后行洞工作面最近的先行洞洞壁位置，因?yàn)榇颂幷駝?dòng)過大，常規(guī)的速度傳感器和粘結(jié)材料不能滿足測量和固定要求。監(jiān)測點(diǎn)也不宜過遠(yuǎn)，增加更多影響因素，難以分析和揭示本質(zhì)規(guī)律。

針對曼臘隧道，根據(jù)后行洞爆破掘進(jìn)情況，確定先行洞內(nèi)與后行洞工作面同一位置的橫截面位置。由此橫截面向工作面后方(成洞區(qū))布置3個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，距工作面軸向距離分別為1 m、1.5 m、3.5 m。要求所有監(jiān)測點(diǎn)與隧道軸線平行，位于隧道先行洞內(nèi)迎爆側(cè)的中墻側(cè)壁，距隧道底板1.8 m。沿先行洞隧道軸線上的振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)布置分別如圖2(a)和(b)所示。見表1。

表 1 爆破振動(dòng)速度監(jiān)測結(jié)果

圖 2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig. 2 Schematic of fixed monitoring points

1.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

后行洞上臺階爆破開挖時(shí)先行洞洞壁振速監(jiān)測結(jié)果如表1所示，同一段藥量下質(zhì)點(diǎn)振速峰值(PPV)隨軸向距離的增加而減少，同一位置處，PPV隨段藥量的減少而降低。參照薩道夫斯基公式對傳播和衰減規(guī)律進(jìn)行擬合。

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值；K、α為場地因素及衰減指數(shù)；Q為段藥量；R為爆源與測點(diǎn)之間忽略高度差之后的水平距離。

圖 3 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律Fig. 3 Attenuation law of blasting vibration

2 襯砌變形與圍巖損傷計(jì)算

2.1 數(shù)值計(jì)算

連拱隧道爆破開挖的襯砌變形與圍巖損傷計(jì)算采用的是離散元方法，可以方便的處理巖體結(jié)構(gòu)面、隧道開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體的相互作用問題。

(1)數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)主要考慮洞身段，圍巖等級按Ⅳ級考慮，洞身段圍巖主要為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)軟，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差隧道埋深最大為70 m。根據(jù)實(shí)際尺寸建立的離散元計(jì)算模型如圖4所示，左洞為先行洞，右洞為后行洞，已根據(jù)開挖步序和爆破分段情況劃分了區(qū)塊。模型中考慮先行洞錨桿、鋼梁和第一、二道襯砌的支護(hù)系統(tǒng)的作用。左右隧道中線和第一、二道襯砌之間為充填的爆破減振材料，如圖5所示。

圖 4 數(shù)值計(jì)算模型Fig. 4 Numerical model

對于巖石采用理想彈塑性模型，Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為其屈服準(zhǔn)則。巖體節(jié)理力學(xué)模型采用庫侖滑動(dòng)模型，均為成熟和經(jīng)典的本構(gòu)模型，能有效地分析巖土體材料的受力變形、滑動(dòng)和破壞情況。

(2)爆炸荷載

隧道圍巖爆破采用光面爆破技術(shù)，每一步序內(nèi)采用分段爆破，段間起爆間隔時(shí)間100～200 ms。主要爆孔布置參數(shù)如下：輔助孔鉆孔直徑d=42 mm，炮孔間距a=70～90 cm，最小抵抗線W=70 cm，鉆孔超深10 cm，藥卷直徑32 mm。周邊孔直徑d=38 mm，間距35～60 cm，超深10 cm，φ20的小藥卷間隔裝藥。所有炮孔均以炮泥堵塞，堵塞長度不小于20 cm。前期試驗(yàn)爆破期間爆孔深度0.8 m，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m。

圖 5 減震材料布置Fig. 5 Shock absorbing material arrangement

由于炸藥爆破是一個(gè)極為復(fù)雜的瞬態(tài)作用過程，目前主要再用爆炸荷載峰值和適當(dāng)波形相結(jié)合的方法對其進(jìn)行描述。首先，炸藥爆轟產(chǎn)物開始膨脹時(shí)的壓力按平均爆轟壓計(jì)算，有

式中：ρ0為炸藥密度;D為炸藥爆轟速度;γ為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)。本工程中使用2#巖石乳化炸藥密度約1000～1310 kg/m3，爆轟速度3500～5500 m/s；絕熱膨脹指數(shù)取3。

對隧洞掘進(jìn)中的鉆孔柱狀裝藥，爆孔巖石壁受到的沖擊波壓力可以采用下式計(jì)算

式中：lb為炮孔長度；取le為裝藥長度；db為炮孔直徑；de為裝藥直徑；n為壓力增大系數(shù)。

炮孔粉碎區(qū)邊緣的沖擊荷載壓力峰值為

式中，λ為粉碎區(qū)半徑與裝藥半徑之比。

爆炸荷載變化歷程為

式中:Pt為隨時(shí)間變化的爆炸荷載；β為阻尼系數(shù)；t為作用時(shí)間。

阻尼系數(shù)與峰值上升時(shí)間tr的關(guān)系為

圖6為當(dāng)正壓作用時(shí)間tr為100 μs時(shí)的爆炸荷載曲線。

圖 6 爆炸荷載曲線Fig. 6 Blasting load curve

每一開挖步中，從保護(hù)先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)考慮，在不考慮掏槽爆破的情況下后行洞均從遠(yuǎn)端(右側(cè))開始起爆，每一臺階分三段爆破。

(3)材料參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)巖體力學(xué)試驗(yàn)，計(jì)算所需的各材料基本物理力學(xué)參數(shù)如表2、表3所示。

表 2 隧道圍巖(巖石)基本參數(shù)

表 3 巖石節(jié)理基本參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

(1)振動(dòng)速度

根據(jù)振速衰減規(guī)律將實(shí)測振速曲線按照振速的峰值比值進(jìn)行放大，可以近似看作工作面處實(shí)測振速曲線。同時(shí)可由離散元模型計(jì)算得到先行洞計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線。當(dāng)段藥量為10.5 kg、延時(shí)100 ms時(shí)，實(shí)測振動(dòng)曲線與模型計(jì)算振動(dòng)速度曲線如圖7、圖8所示，由于振動(dòng)開始與結(jié)束時(shí)間不一致，僅比較峰值振速處一小段時(shí)間內(nèi)振速曲線。雖然模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果數(shù)值上存在差異但變化比較一致，在某種程度上可以說明建立的離散元模型可以反映工程實(shí)際，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果可以相互印證，相互補(bǔ)充。

圖 7 隧道斷面測點(diǎn)選取位置Fig. 7 Location of measurement point on tunnel section

圖 8 監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)速度曲線Fig. 8 Vibration velocity curve of 1# monitoring point

(2)襯砌變形

當(dāng)段炸藥量24.5 kg的情況下、后行洞上臺階開挖，此時(shí)刻襯砌單元破壞和變形形態(tài)如圖9 (a)所示，對應(yīng)的“一襯”變形量為85.71 cm，“二襯”變形量為97.05 cm。需要指出，受數(shù)值計(jì)算和接觸算法技術(shù)所限，此時(shí)“一襯”和“二襯”的變形量僅為計(jì)算所得的結(jié)果，顯示二者某些部位相互穿透，表明實(shí)際上此時(shí)靠近中隔墻區(qū)域部分支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了屈服和破壞，失去了承載能力。

當(dāng)段藥量減少為10.5 kg時(shí)，“一襯”和“二襯”變形如圖9 (b)所示，分別為1.71 cm和0.23 cm。此情況下襯砌結(jié)構(gòu)變形較小，沒有發(fā)生屈服和破壞。

圖 9 先行洞襯砌變形與破壞情況Fig. 9 Deformation and failure of tunnel lining

(3)圍巖損傷

段藥量為24.5 kg時(shí)，由于后行洞上臺階開挖爆破產(chǎn)生的圍巖損傷區(qū)范圍約為4.2 m，襯砌發(fā)生較大變形，圍巖損傷區(qū)深度較大。

段藥量減小到10.5 kg，圍巖損傷區(qū)范圍約為2.4 m，“一襯”和“二襯”變形量較小。在此情況下襯砌結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生屈服和破壞。由于計(jì)算時(shí)沒有考慮中墻部分加固鋼筋網(wǎng)的作用，因此可以認(rèn)為此時(shí)隧道圍巖和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。見圖10。

圖 10 圍巖損傷區(qū)分布Fig. 10 Distribution of surrounding rock damage zone

3 連拱隧道爆破安全控制方法

3.1 最大段藥量確定方法

在確定后行洞工作面開挖的合理段炸藥量時(shí)，應(yīng)以產(chǎn)生最大的圍巖損傷范圍、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和屈服區(qū)對應(yīng)的段藥量作為確定合理段藥量的標(biāo)準(zhǔn)。

首先考慮開挖步序。由于上臺階的開挖為后續(xù)開挖創(chuàng)造了自由面，因此在同樣條件下，爆破產(chǎn)生的圍巖損傷區(qū)范圍和振動(dòng)響應(yīng)將逐步減小。同樣地，錨桿和襯砌的變形和屈服范圍也將相應(yīng)減小。

在后行洞上臺階開挖時(shí)分別考慮了最大段炸藥量從8 kg增加到24.5 kg，先行洞襯砌變形和圍巖損傷范圍隨段炸藥量變化關(guān)系如圖11(a)和(b)所示。

圖 11 隧道變形和損傷范圍隨段炸藥量的變化Fig. 11 The deformation and damage range of tunnel vary with the amount of explosive

襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖相互作用，決定隧道的穩(wěn)定性。當(dāng)襯砌出現(xiàn)大范圍屈服和損傷時(shí)，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)喪失承載力，此時(shí)圍巖的損傷深度也迅速增大。襯砌位移可以看作先行洞圍巖在爆炸荷載作用下的變形，當(dāng)段藥量超過15 kg時(shí)，變形開始加速增長，說明襯砌結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)大范圍屈服和較大變形，襯砌對圍巖的支護(hù)作用喪失，導(dǎo)致圍巖損傷區(qū)深度也迅速增大。

綜上所述，根據(jù)后行洞工作面開挖步序設(shè)置、圍巖等級等因素考慮，建議該區(qū)域連拱隧道后行洞爆破開挖時(shí)采用分步序分段爆破方式，最大段炸藥量不宜超過15 kg。

在后行洞爆破施工中始終確保段藥量不大于15 kg，對先行洞襯砌變形進(jìn)行監(jiān)測，未出現(xiàn)較大位移，及襯砌開裂。

3.2 振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)

基于段炸藥量的分析結(jié)果，確定最大段藥量為15 kg。根據(jù)隧道爆破振動(dòng)監(jiān)測的成果，當(dāng)段藥量為15 kg，工作面處先行洞中墻側(cè)壁的振動(dòng)速度可由公式(2)計(jì)算得V=22.39 cm/s。建議在后行洞爆破時(shí)，于爆破工作面同一平面的先行洞迎爆側(cè)中墻處振動(dòng)速度不超過22 cm/s。

對于曼臘隧道先行洞較后行洞超前開挖40 m，支護(hù)超前20 m。在后續(xù)施工中采用上述安全控制方法，對最大段藥量進(jìn)行限制，并持續(xù)監(jiān)測襯砌變形和先行洞洞壁振動(dòng)速度。全過程中隧道襯砌變形穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯破壞和開裂，振動(dòng)速度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。說明該安全控制方法可靠。

4 結(jié)論

(1)通過在連拱隧道先行洞洞壁布置振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，可參照薩道夫斯基公式根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合的得到振動(dòng)速度衰減規(guī)律。采用無中墻連拱隧道形式的曼臘隧道進(jìn)行單洞法爆破施工在Ⅳ級圍巖區(qū)下先行洞洞壁振動(dòng)速度可用薩道夫斯基公式進(jìn)行預(yù)測，可表示為

(2)因?yàn)闊o中墻連拱隧道后行洞爆破時(shí)對先行洞襯砌產(chǎn)生不利影響，在保證爆破效率的同時(shí)需要對爆破的影響進(jìn)行控制。通過對先行洞襯砌變形與圍巖損傷的分析，提出確保襯砌變形和圍巖損傷在安全范圍內(nèi)的最大段藥量。對于曼臘隧道在Ⅳ圍巖下，建議后行洞爆破時(shí)最大段藥量不超過15 kg。

(3)為限制后行洞爆破時(shí)對先行洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，可以控制振動(dòng)速度在允許的范圍內(nèi)，以確保襯砌和圍巖穩(wěn)定。針對曼臘隧道，于后行洞爆破工作面同一平面的先行洞迎爆側(cè)中墻處布置振動(dòng)速度監(jiān)測點(diǎn)。該測點(diǎn)振動(dòng)速度允許值為22 cm/s。